Глава 2. Электронно-дырочные переходы.

1. Основные определения.

Электрическим переходом называется переходной слой между областями твердого тела с различными типами электропроводности или разными значениями удельной проводимости. Электрические переходы используются практически во всех полупроводниковых приборах и являются их важнейшими структурными элементами. Физические процессы в переходах лежат в основе принципа действия большинства полупроводниковых приборов.

Переход между областями полупроводника с электропроводностью - и типа называют электронно-дырочными или p-n переходами. Чаще всего эти области создают в монокристалле полупроводника, используя различные технологические методы легирования, т.е. контролируемого введения примесей. Параметры и характеристики переходов определяются распределением концентраций примесей и геометрией областей.

Поверхность, разделяющая области с дырочной и электронной проводимостью, называется металлургической границей перехода. Если она плоская, то и p-n-переход называется плоским. В реальных переходах имеются неплоские краевые эффекты, однако, если они слабо влияют на электрические параметры, то p-n-переход считают приближенно плоским и движение носителей заряда, изменение электрического поля и потенциала рассматриваются только вдоль одной координаты х, перпендикулярной металлургической границе.

Переходы между областями с различной концентрацией примесей одного типа называют электронно-электронными (n⁺-n) или дырочно-дырочными (p⁺-p). При этом сильнолегированную область с высокой концентрацией примесей (различие более, чем на порядок) отмечают значком «+» при букве, обозначающей проводимость.

Переходы между различными полупроводниками, отличающимися шириной запрещенной зоны, называют гетеропереходами. Полупроводники должны иметь близкие кристаллические структуры. Типичным примером является переход между арсенидом галлия и арсенидом галлия-алюминия. Кристаллическая решетка последнего отличается от решетки арсенида галлия тем, что часть атомов галлия в ее узлах замещена на атомы алюминия. Гетеропереходы могут быть типов p-n, n⁺-n и p⁺-p . Гетеропереходы широко применяются в излучающих и фотоэлектрических приборах (светодиоды, фотодиоды и др.). Свойство односторонней инжекции в p-n-гетеропереходах с сильнолегированной базой может быть использовано в биполярных транзисторах. Гетеропереходы между полупроводниками одного типа проводимости применяются для создания полевых сверхвысокочастотных транзисторов и сверхскоростных интегральных схем.

Распространенными являются электрические переходы металл-полупроводник. Они образуются, например, нанесением на тщательно очищенную поверхность полупроводника тонкой металлической пленки. В некоторых приборах используются переходы между металлом и диэлектриком, между диэлектриком и полупроводником.

2. Классификация p-n переходов.

Электронно-дырочные переходы классифицируют по резкости металлургической границы и по соотношению удельных сопротивлений слоев.

Ступенчатыми переходами называют переходы с идеальной границей, по одну сторону которой находятся акцепторы с постоянной концентрацией , а по другую – доноры с постоянной концентрацией . Такие переходы наиболее просты для анализа и поэтому все реальные переходы стараются, если это возможно, рассматривать как ступенчатые.

Плавными переходами называют такие, у которых в районе металлургической границы концентрация одного типа примеси постепенно уменьшается, а другого типа – растет. Сама металлургическая граница в этом случае соответствует равенству примесных концентраций , т.е. лежит в том месте, где полупроводник является компенсированным. Все реальные переходы – плавные, степень их приближения к ступенчатым зависит от градиента эффективной концентрации в районе металлургической границы.

По соотношению концентраций примесей в и слоях переходы делят на симметричные, несимметричные и односторонние.

В симметричных переходах имеет место соотношение , где – концентрация дырок в слое; – концентрация электронов в -слое, т.е. концентрации основных носителей в обоих слоях почти одинаковы. Такие переходы используются сравнительно редко и не являются типичными. Гораздо большее распространение имеют несимметричные переходы, в которых выполняется неравенство или и концентрации различаются в несколько раз и более. Именно такие переходы будут анализироваться в дальнейшем, причем для определенности будет считаться, что слой более низкоомный, чем слой , т.е. . Полученные выводы легко использовать при обратном соотношении концентраций.

В случае резкой асимметрии, называют односторонними и обычно обозначают символами (или ).